Каталитические функции фермента
Выполняющий каталитические функции фермент может находиться как в растворе, так и в иммобилизованном состоянии прямо на поверхности электрода. В принципе к биоэлектрокатализу относят не только системы, в которых фермент ускоряет саму электродную реакцию, но и такие, в которых ферментативной является предшествующая реакция, генерирующая электрохимически активные частицы. Для иллюстрации систем последнего типа рассмотрим устройство биоэлектрохимического датчика для определения глюкозы.
Сама по себе глюкоза очень инертна в электрохимических реакциях. Однако если ее подвергнуть окислению до глюконовой кислоты, то в ходе реакции выделится перекись водорода, которая, в свою очередь, может окислить йодид-ион до йода:
Ферменты на обеих стадиях применяют в иммобилизованном состоянии, а для электрохимического определения пригодны сразу четыре вещества: 02; Н2О2, J – и J2, концентрации которых в системе связаны стехиометрическими реакциями.
Но конечно, наибольший интерес представляет катализ электродного процесса. Мы рассмотрим один, но весьма важный и характерный пример: конструирование электродов для биотопливного элемента. Вспомним, что топливные элементы – это химические источники тока, вырабатываемого, как правило, за счет суммарной реакции окисления водорода кислородом, идущей на двух отдельных электродах. Таким образом, необходимо иметь анод, на котором бы водород отдавал электроны, и катод, на котором бы кислород их принимал. В результате между электродами возникает разность потенциалов, которая будет поддерживаться, пока не исчерпаются реагенты. Для того чтобы кпд элемента был максимален, необходимо создание на каждом из электродов равновесного потенциала (иначе в системе будет совершаться дополнительная работа). Здесь как раз необходим катализ, ибо равновесный потенциал будет достигаться только при высокой скорости электродных процессов.